2015年1月16日，主演的侦探动作悬疑电影《暴走神探》上映，她在片中饰演身世贫苦但内心坚强的盲女慧兰;4月，年代传奇剧《魔都风云》在上海车墩开机，周冬雨在剧中饰演果决霸道的萧瑶;5月，为3D动画电影《哆啦a梦：伴我同行》中的成年静香进行中文配音;6月19日，在校园青春电影《少年班》中饰演孤僻但极端聪明的少女周兰;10月30日，以形象大使的身份在韩国首尔出席中国电影节开幕式。

　　2016年1月7日，周冬雨获得微博之夜年度盛典年度电影新力量女演员;2月8日，由周冬雨为影片中的女一号兔子沙果配音的合家欢动画电影《年兽大作战》上映[40] ;2月14日，由其主演的爱情电影《奔爱》上映，她在片中首度挑战百合恋，饰演潇洒不羁的白茄子;3月20日，参加明星恋爱真人秀节目《我们相爱吧第二季》;4月15日，由其主演的犯罪悬疑动作电影《冰河追凶》上映，她在片中饰演内心叛逆不善表达的周欣怡[43] ;8月9日，其在爱情电影《谎言西西里》中饰演开朗的元气少女小悠，并凭借该片中的表现获得第8届澳门国际电影节最佳女主角;9月5日，主演的谍战剧《麻雀》播出，她在剧中饰演特工机关卧底徐碧城，该剧播出后大结局以收视2.486的收视率刷新年度电视剧单日纪录，而网络总播放量更是突破110亿，刷新谍战剧纪录;9月14日，主演青春爱情电影《七月与安生》，她在片中饰演放浪不羁且自我的李安生，该片上映后中国内地票房超1.62亿，周冬雨凭借其获得第53届台湾电影金马奖最佳女主角、第23届香港电影评论学会最佳女演员及金砖国家电影节最佳男女主角，同时还提名第36届香港电影金像奖最佳女主角、第1届马来西亚国际电影节最佳女演员和第八届中国电影导演协会年度女演员，而她也成为首位90后金马奖影后;12月17日，出席南方人物周刊中国魅力人物颁奖典礼并获得年度中国魅力人物的奖项;12月31日，成为CCTV6佳片有约形象推广大使，并出席“CCTV62017中国黄金·电影之夜"。

　　2017年1月4日，其主演的都市青春励志偶像剧《遇见爱情的利先生》首播，周冬雨在剧中饰演阳光坚强的刘欣桐;1月10日，获得今日头条年度娱乐盛典度最具爆发力女明星奖项;1月16日，获得微博之夜年度盛典年度最美表演和年度最受关注演员两个奖项;4月13日，武侠魔幻片《武林怪兽》开机拍摄;随后，与张孝全合作主演的爱情喜剧片《指甲刀人魔》上映，她在片中饰演以指甲刀为食的特殊人类嘉怡;4月27日，主演由陈可辛监制的爱情电影《喜欢你》全国公映，而周冬雨则在该片中饰演创意厨师顾胜男，该电影中国内地票房超2亿;6月10日，以补位歌手的身份加盟明星跨界音乐真人秀节目《跨界歌王第二季》;6月18日，获得第二届微博电影之夜Queen;7月20日，凭借金马影后入围福布斯中国公布的年度中国30位30岁以下精英榜单;7月21日，其领衔主演的都市情感剧《春风十里，不如你》在优酷首播，周冬雨在剧中饰演随遇而安又天性自由的小红，并与张一山合唱片头曲《如果我爱你》;7月22日，以合伙人的身份加盟湖南卫视青春合伙人经营体验节目《中餐厅》;12月15日，主演由徐克担任监制与编剧的古装奇幻电影《奇门遁甲》上映。